【研究成果】開發新型光學顯微技術:觀測活細胞內無標定之染色質動態影像

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  何郁庭 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 高靈敏度光學顯微術/中研院原分所奈米生物光學實驗室提供

地球上絕大多數的生物個體,皆須仰賴細胞內的遺傳物質 — DNA,來完成生長、繁殖、感應、代謝等生命現象。染色質(chromatin)是由DNA與蛋白質構成的複雜結構分子,染色質的結構與活動,精密地調控一切基因表現,進而影響生物體的命運。因此,了解染色質在活細胞中如何活動,有助釐清生物老化、癌症等疾病的成因,進而找出治療方式。

為了觀察染色質,科學家仰賴高放大倍率的顯微鏡,由於染色體分子體積微小,與光的交互作用微弱,因此,過去使用顯微鏡觀測時,需要對樣品先進行染色標記處理,以增加影像對比,這也是「染色質」的命名由來。染色標記方法很多,可惜的是,染色處理無可避免會影響染色質的原始狀態,進而干擾活細胞中的生命現象。

這樣的限制,可望由新的顯微影像技術突破。

位於中央研究院原子與分子科學研究所,由謝佳龍副研究員領導的團隊,致力於發展先進光學顯微影像技術,專攻在活細胞內奈米層級的分子動態研究。2021年十二月,該研究團隊於《ACS Nano》發表一篇研究成果,該報告說明,利用實驗室所發展的超靈敏光學顯微術,可以在不染色的條件下,直接量測活體細胞核中染色質的線性散射訊號。透過分析高速動態訊號,成功地從看似混亂的隨機散射影像中,重建出高解析度的染色質結構。

近年來,越來越多的國際頂尖研究團隊開始投入以線性散射為訊號的顯微影像技術開發,希望能夠透過免標記觀察,完成過去螢光顯微術所無法執行的生物研究。過去幾年間,高靈敏度與超高速散射顯微技術已經日趨成熟。不過,散射顯微鏡有一個缺點,就是訊號缺乏分子專一性,這對生物研究來說是很大的問題。

研究團隊表示,這次研究成果的一大重點,就是示範如何透過分析動態的散射訊號,重新取得具有分子專一性的影像,此技術稱為「動態成像(DYNAMICS imaging)」。技術的原理是使用高靈敏度的光學顯微鏡,直接偵測染色質本身的散射光訊號,並且在高速下(每秒一千張)連續紀錄分子動態影片,接著透過訊號分析與影像處理,擷取出染色質的特定動態訊號,最後重建出染色質的結構影像。此技術的獨特之處,在於將原本沒有分子專一性的線性散射訊號(每個生物分子都會散射光),從不同的動態特性中,萃取出具有染色質專一性的資訊。

研究報告中展示,透過計算動態散射訊號時間上的統計特徵,例如變異數(variance)與微分變異數(differential variance),可以將原始看似缺乏資訊的散射影像,轉換並重建出一張細胞核內染色質動態的對應圖(V map, Vd map)。重要的是,重建出的高解析度細胞核圖像,與螢光標記的染色質影像具有高度相似性,證實了V map與Vd map可呈現染色質的結構與分佈。此外,研究團隊也發現,V map和Vd map可以偵測染色質奈米尺度的凝聚態,藉此實現在活細胞中連續對染色質凝聚態進行觀察研究。

圖2. 用動態成像技術(DYNAMICS imaging)重建細胞核內染色質結構的高解析度圖像。a. 細胞核的原始散射影像,紅圈為細胞核位置;b. 利用變異數(variance)計算對應後的圖像;c. 利用微分變異數(differential variance)計算對應後的圖像。藍色箭頭指出核仁的位置。

該團隊長期致力於顯微技術的開發及影像處理相關研究,此研究所使用的同調性明場顯微技術,亦為2017年團隊研發的新技術。這些先進技術大幅提升免標記光學顯微術的效能,未來應用方面,有望實現需要影像分子專一性但卻不能螢光染色的生物相關研究,進一步了解細胞核內的生命現象,例如DNA受損與修復。此外,透過不同的研究工具,有機會得以提出新型態的問題,並獲得更加精準的答案。


參考文獻

[1] Yi-Teng Hsiao, Chia-Ni Tsai, Te-Hsin Chen, and Chia-Lung Hsieh(2022)Label-Free Dynamic Imaging of Chromatin in Live Cell Nuclei by High-Speed Scattering-Based Interference Microscopy. ACS Nano. 16, 2, 2774–2788.
[2] 開發新穎光學顯微術觀察活細胞中染色質動態。中央研究院。http://aerosol.nsysu.edu.tw/scopes/108
[3] 中研院原分所-奈米生物光學研究室。https://hsiehlab.iams.sinica.edu.tw/CH/

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